CN114242361A - 一种薄膜片式电阻器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种薄膜片式电阻器及其制备方法，涉及电阻器技术领域。本发明提供的薄膜片式电阻器，包括基板、金刚石衬底、电阻层、金刚石保护层、外保护层、引出电极和端子焊接层，其中，所述电阻层设置于所述金刚石衬底和所述金刚石保护层之间。本发明通过在现有薄膜电阻器的基础上，引入金刚石衬底和金刚石保护层，将电阻层设置于金刚石衬底和金刚石保护层之间，提高片式电阻器中电阻层的散热能力、电阻功率水平，避免出现电化学腐蚀现象。
Description
技术领域
本发明涉及电阻器技术领域，特别涉及一种薄膜片式电阻器及其制备方法。
背景技术
现有常规薄膜电阻保护结构，如图21所示，其在电阻层上方直接采用厚膜丝印技术涂布环氧树脂作为保护层，优点是材料单一、结构简洁，缺点是环氧树脂具有一定的透水、吸水的特性，在高温、高湿环境下水汽容易侵入，如果产品同时在通电状态，则会出现电腐蚀现象；并且环氧树脂保护导热能力较差，覆盖后形成的保护层不利于产品散热；此外，环氧树脂与其填充料之间存在细小的间隙，有可能使得环境气体进入，在长期作用下电阻层表面会出现氧化、氮化、甚至腐蚀现象，导致电阻值改变。
高稳定性薄膜电阻保护结构，如图22所示，通常在电阻层表面先用CVD工艺沉积一层氧化硅保护层，然后在氧化硅表面涂布一层光敏保护，通过曝光显影得到覆盖电阻层的保护，再通过湿法蚀刻方式将未覆盖部分氧化硅保护层去除，得到完全覆盖电阻层的氧化硅保护层，最后用厚膜丝印技术涂布环氧树脂作为外层保护层，使得电阻层上方或上下均覆盖氧化铝或氧化硅保护层。其优点是氧化硅透水率、吸水率基本为零，在相同的高温、高湿状态，可避免水汽与电阻层接触出现腐蚀，因此具有优秀的耐高温高湿能力。但其缺点同样显著，其氧化硅保护层导热能力差，相当于形成热阻隔层，导致电阻散热能力降低；且生产流程长，需导入CVD工艺、黄光微影工艺、湿法蚀刻工艺，涉及辅助材料多，结构、工艺复杂。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的主要目的是提供一种薄膜片式电阻器及其制备方法，旨在提高片式电阻器中电阻层的散热能力、电阻功率水平，避免出现电化学腐蚀现象。
为实现上述目的，第一方面，本发明提出了一种薄膜片式电阻器，包括基板、金刚石衬底、电阻层、金刚石保护层、外保护层、引出电极和端子焊接层，其中，所述电阻层设置于所述金刚石衬底和所述金刚石保护层之间。
本发明技术方案中，在现有薄膜电阻器的基础上，引入金刚石衬底和金刚石保护层，将电阻层设置于金刚石衬底和金刚石保护层之间。金刚石热导率约为2000W/m·K，在工作时电阻层所产生的热量可以迅速通过金刚石衬底和金刚石保护层向外传导，提高电阻层的散热能力，从而大幅提高薄膜电阻器的功率。
并且，金刚石具备不透水、不吸水的特性，作为衬底和保护层使用时，水汽无法侵入，从而使电阻层不会出现电化学腐蚀现象，电阻器可以长期稳定工作在高温高湿环境下。
此外，本发明采用金刚石保护层，可使用激光对电阻层切割调阻，切割过程中激光可以无损穿过金刚石保护层，不影响其气密性。
作为本发明所述薄膜片式电阻器的优选实施方式，所述金刚石衬底的厚度为1-50μm，更优选的，述金刚石衬底的厚度为20μm；所述金刚石保护层的厚度为1-10μm，更优选的，所述金刚石保护层的厚度为4μm。
作为本发明所述薄膜片式电阻器的优选实施方式，所述基板的材质为纯度>99％的氧化铝陶瓷，所述基板的Ra值为0.2-0.4μm，更优选的，Ra值为0.3μm。
第二方面，本发明还提出一种薄膜片式电阻器的制备方法，采用CVD沉积技术制备金刚石衬底和/或金刚石保护层，所述CVD沉积技术包括热丝(HFCVD)沉积、直流辅助等离子体沉积、直流电弧等离子体喷射(DAPCVD)沉积、微波等离子体(WMPCVD)沉积、激光辅助(LACVD)沉积中的至少一种。
作为本发明所述薄膜片式电阻器的制备方法的优选实施方式，采用微波等离子体沉积技术制备金刚石衬底，包括如下(a)-(c)中的至少一种：
(a)采用CH4/H2为气源，CH4和H2的体积比为CH4：H2＝(1-9)：(91-99)；
(b)微波功率为10kW-15kW；
(c)气体压强为10-20kPa。
本发明技术方案中，沉积金刚石衬底采用高功率WMPCVD工艺，可实现金刚石底层的快速沉积。
作为本发明所述薄膜片式电阻器的制备方法的优选实施方式，CH4和H2的体积比为CH4：H2＝5:95；微波功率为12.5kW；气体压强为15kPa。
作为本发明所述薄膜片式电阻器的制备方法的优选实施方式，采用微波等离子体沉积技术制备金刚石保护层，包括如下(d)-(f)中的至少一种：
(d)采用CH4/Ar/H2为气源，CH4、Ar和H2的体积比为CH4：Ar：H2＝(1.5-3.5)：(25-45)：(52-72)；
(e)微波功率为500W-1000W；
(f)气体压强为1-3kPa。
由于电阻层的退火温度通常为300-600℃，沉积金刚石保护层时，若超过该温度范围，易造成电阻层温度过高性能出现变化，因而本发明技术方案中沉积金刚石保护层时采用低温WMPCVD工艺，可降低沉积时基板温度，避免电阻层二次热处理导致性能变异。
作为本发明所述薄膜片式电阻器的制备方法的优选实施方式，CH4、Ar和H2的体积比为CH4：Ar：H2＝2.5:35.5:62；微波功率为750W；气体压强为2kPa。
作为本发明所述薄膜片式电阻器的制备方法的优选实施方式，所述薄膜片式电阻器的制备方法还包括基片预处理工艺，所述基片预处理工艺的步骤为：将基板置于无水乙醇与粒径为0.05-0.15μm金刚石粉末的混合液中超声。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明技术方案通过在现有薄膜电阻器的基础上，引入金刚石衬底和金刚石保护层，将电阻层设置于金刚石衬底和金刚石保护层之间。金刚石热导率约为2000W/m·K，在工作时电阻层所产生的热量可以迅速通过金刚石衬底和金刚石保护层向外传导，提高电阻层的散热能力，从而薄膜电阻器的功率；
(2)金刚石具备不透水、不吸水的特性，作为衬底和保护层使用时，水汽无法侵入，从而使电阻层不会出现电化学腐蚀现象，电阻器可以长期稳定工作在高温高湿环境下；
(3)本发明采用金刚石保护层，可使用激光对电阻层切割调阻，切割过程中激光可以无损穿过金刚石保护层，不影响其气密性。
附图说明
图1-19本发明的薄膜片式电阻器制备过程中各步骤对应的结构示意图，其中，每幅图包括左侧的正视图(X-1)和右侧的剪切面示意图(X-2)；
图20为本发明的薄膜片式电阻器的示意图；
图21为对比例1中现有常规薄膜电阻保护结构的示意图；
图22为对比例2中现有高稳定性薄膜电阻保护结构的示意图；
其中的附图标记为：1-基板，2-金刚石衬底，3-电阻层，4-金刚石保护层，5-外保护层，6-端子焊接层，7-引出电极，8-保护层。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将通过具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例的薄膜片式电阻器的制备方法包括以下步骤：
S1，基片预处理：将氧化铝陶瓷基板置于无水乙醇与粒径为0.05-0.15μm金刚石粉末的混合液中超声15min，处理后的氧化铝陶瓷基板如图1所示；
S2，沉积金刚石衬底：采用WMPCVD工艺在氧化铝陶瓷基板的正面上沉积金刚石衬底，采用CH4/H2为气源，CH4和H2的体积比为CH4：H2＝(1-9)：(91-99)；微波功率为10kW-15kW；气体压强为10-20kPa，处理后如图2所示；
S3，沉积电阻层：在金刚石衬底层表面采用物理气相沉积(PVD)方式沉积电阻层，电阻层为Ni、Cr、Si、Cr、Al等二元或多元合金，以及Ta系合金，处理后如图3所示；
S4，沉积电极层：在S3的基础上，采用PVD方式在正、背面沉积电极层，电极层为Au、Ag、Cu、Al等导电金属层，以及下部的附着力增强层(通常为Ti、TiW、镍铬等金属、合金)，以及上部的抗氧化层钝化层(通常为镍铬合金)，处理后如图4所示；
S5，涂布光敏阻隔层：在S4的基础上，在正、背面表面涂布一层光敏阻隔层，处理后如图5所示；
S6，通过曝光显影，移除部分光敏阻隔层，只保留设计为电极的图形，处理后如图6所示；
S7，采用化学蚀刻方式去除光敏阻隔层覆盖以外的电极层，处理后如图7所示；
S8，在整个正面再涂布一层光敏阻隔层，将蚀刻后暴露的电阻层、电极表面的光敏阻隔层完全覆盖，处理后如图8所示；
S9，通过曝光显影，移除部分光敏阻隔层，只保留设计为电极与电阻的部分的图形，处理后如图9所示；
S10，采用化学蚀刻方式去除光敏阻隔层覆盖以外的电阻层，处理后如图10所示；
S11，移除全部光敏阻隔层，处理后如图11所示；
S12，沉积金刚石保护层，采用WMPCVD工艺在电阻、电极表面沉积金刚石保护层，采用CH4/Ar/H2为气源，CH4、Ar和H2的体积比为CH4：Ar：H2＝(1.5-3.5)：(25-45)：(52-72)；微波功率为500W-1000W；气体压强为1-3kPa，处理后如图12所示；
S13，在金刚石保护层表面涂布一层光敏阻隔层，处理后如图13所示；
S14，通过曝光显影，移除部分光敏阻隔层，只保留设计为金刚石保护层的部分的图形，处理后如图14所示；
S15，通过干法蚀刻，移除部分金刚石层，只保留设计为金刚石保护层的部分的图形，处理后如图15所示；
S16，移除全部光敏阻隔层，处理后如图16所示；
S17，采用激光修阻方式，切割部分电阻层，达到目标阻值，处理后如图17所示；
S18，在金刚石保护层表面涂布一层环氧树脂保护层，处理后如图18所示；
S19，在电极表面、端面依次沉积镍铬合金、镍、锡层作为端子焊接层，处理后如图19所示。
本实施例的薄膜片式电阻器如图20所示，包括基板(1)、金刚石衬底(2)、电阻层(3)、金刚石保护层(4)、外保护层(5)、引出电极(7)和端子焊接层(6)，其中，电阻层(3)设置于金刚石衬底(2)和金刚石保护层(4)之间，金刚石衬底(2)的厚度为1-50μm，金刚石保护层(4)的厚度为1-10μm；基板(1)的材质为纯度>99％的氧化铝陶瓷，基板(1)的Ra值为0.2-0.4μm。
对比例1
本对比例的薄膜电阻保护结构如图21所示，包括：包括基板(1)、电阻层(3)、外保护层(5)、引出电极(7)和端子焊接层(6)。
对比例2
本对比例的薄膜电阻保护结构如图22所示，包括：包括基板(1)、电阻层(3)、保护层(8)、外保护层(5)、引出电极(7)和端子焊接层(6)。保护层(8)的材质为氧化铝或氧化硅。
实施例1的薄膜片式电阻器相较于对比例1、对比例2具有以下优点：
1、由于金刚石热导率约2000W/m·K，氧化铝陶瓷热导率约22W/m·K，二氧化硅导热系数约1.4-1.6W/m·K，环氧树脂导热系数约0.2-2.2W/m·K。对比例1的电阻层主要通过氧化铝陶瓷基板散热，实施例1采用金刚石衬底和保护层，接触位置提高了近百倍的散热速度。对比例2的氧化硅保护层导热能力较氧化铝陶瓷低近10倍，相当于形成热阻隔层，其散热能力比对比例1更差。实施例的薄膜片式电阻器的功率相较于对比例1、对比例2可以提升20％-200％。
2、衬底、保护层对水汽透过和吸收的影响，金刚石与氧化硅一样，具备不透水、不吸水的特性，作为保护层使用时，水汽无法侵入，电阻层不会出现电化学腐蚀现象，因此实施例1、对比例2的电阻器产品可以长期稳定工作在高温高湿环境下。对比例1单纯采用环氧树脂作外保护层，工作在高温高湿环境下，容易出现电阻膜被腐蚀现象。
3、对比例1采用环氧树脂作为外保护层，环氧树脂本身及其在涂覆工艺过程中会产生细小气孔；并且，环氧树脂与其填充料之间存在细小的间隙，也有可能使得环境气体进入，在长期作用下电阻膜表面会出现氧化、氮化、甚至腐蚀现象，导致电阻值改变。实施例1以金刚石作为保护层和衬底，对比例2以氧化硅或氧化铝产品保护层，可以在保护形成后，再用激光对电阻膜切割调阻，切割过程中激光可以无损穿过金刚石、氧化硅保护层，不影响其气密性。
综上所述，实施例1的薄膜片式电阻器具有同时提高电阻层的散热能力、电阻功率水平、及避免出现电化学腐蚀现象的功能。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种薄膜片式电阻器，其特征在于，包括基板、金刚石衬底、电阻层、金刚石保护层、外保护层、引出电极和端子焊接层，其中，所述电阻层设置于所述金刚石衬底和所述金刚石保护层之间。
2.如权利要求1所述的薄膜片式电阻器，其特征在于，所述金刚石衬底的厚度为1-50μm，所述金刚石保护层的厚度为1-10μm。
3.如权利要求2所述的薄膜片式电阻器，其特征在于，所述金刚石衬底的厚度为20μm，所述金刚石保护层的厚度为4μm。
4.如权利要求1所述的薄膜片式电阻器，其特征在于，所述基板的材质为纯度>99％的氧化铝陶瓷，所述基板的Ra值为0.2-0.4μm。
5.一种薄膜片式电阻器的制备方法，其特征在于，采用CVD沉积技术制备金刚石衬底和/或金刚石保护层，所述CVD沉积技术包括热丝沉积、直流辅助等离子体沉积、直流电弧等离子体喷射沉积、微波等离子体沉积、激光辅助沉积中的至少一种。
6.如权利要求5所述的薄膜片式电阻器的制备方法，其特征在于，采用微波等离子体沉积技术制备金刚石衬底，包括如下(a)-(c)中的至少一种：
(a)采用CH4/H2为气源，CH4和H2的体积比为CH4：H2＝(1-9)：(91-99)；
(b)微波功率为10kW-15kW；
(c)气体压强为10-20kPa。
7.如权利要求6所述的薄膜片式电阻器的制备方法，其特征在于，CH4和H2的体积比为CH4：H2＝5:95；微波功率为12.5kW；气体压强为15kPa。
8.如权利要求5所述的薄膜片式电阻器的制备方法，其特征在于，采用微波等离子体沉积技术制备金刚石保护层，包括如下(d)-(f)中的至少一种：
(d)采用CH4/Ar/H2为气源，CH4、Ar和H2的体积比为CH4：Ar：H2＝(1.5-3.5)：(25-45)：(52-72)；
(e)微波功率为500W-1000W；
(f)气体压强为1-3kPa。
9.如权利要求8所述的薄膜片式电阻器的制备方法，其特征在于，CH4、Ar和H2的体积比为CH4：Ar：H2＝2.5:35.5:62；微波功率为750W；气体压强为2kPa。
10.如权利要求5-9任一项所述的薄膜片式电阻器的制备方法，其特征在于，还包括基片预处理工艺，所述基片预处理工艺的步骤为：将基板置于无水乙醇与粒径为0.05-0.15μm金刚石粉末的混合液中超声。
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2021
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